Энергия ветра, ветроэнергетика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современная энергетика базируется в основном на ископаемых источниках: каменном угле, торфе, нефти и газе. В последние годы стали использовать радиоактивные вещества. Однако, запасы этих источников ограничены, а темпы потребления их возрастают с каждым днем. Поэтому наука должна искать такие источники энергии, которые не иссякли бы с течением времени.

В настоящее время ученые прилагают большие усилия для осуществления управляемых термоядерных реакций с дейтерием (изотоп водорода), запасов которого может хватить на миллионы лет. Но трудности использования этого вещества для энергоснабжения так велики, что в ближайшие годы исключается всякая надежда воспользоваться им.

Поэтому человечество вынуждено обращаться к неиссякаемым источникам энергии - воде, ветру, солнцу, приливам и отливам, в которых заключены огромные запасы энергии. Например, реки Сибири и Дальнего Востока (Лена, Енисей, Ангара, Амур и Обь) могут давать более 110 млрд.квт-ч электроэнергии в год, а Волга - около 19 млрд. квт-ч.

Современные ветродвигатели конструируют и строят на основе научных достижений в области аэродинамики и конструирования машин. Эффективность их в 2-3 раза выше ветряных мельниц дореволюционной России, да и приспособлены современные ветродвигатели не только для размола зерна, но и для водоснабжения и получения электроэнергии.

Энергия ветра в течение длительного времени рассматривается в качестве экологически чистого неисчерпаемого источника энергии. Распространившаяся в 1973 г. угроза нехватки невозобновляемых источников энергии и рост зависимости от импортируемого топлива привели к возрождению исследований, направленных на расширение возможности преобразования ветра в пригодный для использования вид энергии.

Однако до того как энергия ветра сможет принести значительную пользу, должны быть решены многие проблемы - технические и связанные с охраной окружающей среды. Следует также признать, что наибольшие препятствия для использования ветроэнергетических установок создает их высокая стоимость. Эти препятствия будут меньшими, если по критерию стоимости вырабатываемой энергии ветроэнергетические установки смогут конкурировать с установками, использующими другие источники энергии. Хотя многое здесь достигнуто, наиболее сложной задачей, имеющей первостепенное значение, остается разработка экономичных ветроэнергетических установок, способных надежно работать в автоматическом режиме в течение многих лет и обеспечивать бесперебойную эксплуатацию при периодическом обслуживании.

Ветроэнергетические ресурсы

Ветер возникает на Земле при неравномерном нагреве ее поверхности Солнцем. В течение дня воздух над большими водными поверхностями остается сравнительно холодным, так как большая часть энергии солнечного излучения расходуется на испарение воды или же поглощается ею. Над сушей, которая меньше поглощает солнечные лучи, чем вода, воздух нагревается в течение дня больше, он расширяется, становится легче и поднимается вверх. Его заменяет более плотный холодный воздух, расположенный над водой. Так в прибрежной зоне возникают бризы. В течение ночи их направление над прибрежными водами меняется на обратное, так как суша охлаждается быстрее воды и соответственно снижается температура расположенного над ней воздуха. Холодный воздух, движущийся к морю, вытесняет нагретый, который поднимается с поверхности воды.

Аналогично наблюдаются бризы со стороны гор в течение дня, когда теплый воздух поднимается вдоль склона, нагретого Солнцем. Ночью сравнительно холодный воздух на склоне стекает в долины.

Подобная циркуляция воздушных масс в земной атмосфере наблюдается при большом нагреве поверхности Земли вблизи экватора, чем в районах полюсов. Ветер над холодной поверхностью, дующий от полюсов к экватору, замещает горячий воздух, который поднимается в тропиках и перемещается в верхних слоях атмосферы по направлению к полюсам.

Вращение Земли также влияет на циркуляцию ее воздуха. Силы инерции, которые действуют на холодный воздух, движущийся вблизи поверхности по направлению к экватору, стремятся закрутить его в западном направлении. В то же время тяжелый воздух, движущийся в верхних слоях атмосферы по направлению к полюсу, имеет тенденцию к повороту на восток. Эта циркуляция воздуха на большом пространстве вокруг зоны пониженного давления происходит в направлении, противоположном направлению движения часовой стрелки в северном полушарии, и по часовой стрелке - в южном. Так как ось вращения Земли наклонена под углом 23,5 к плоскости ее вращения вокруг Солнца, то сезонные изменения тепловой энергии, получаемой от Солнца, зависят от изменений в эти периоды скорости и направления ветра на данном участке земной поверхности.

Энергия, которая непрерывно поступает от Солнца и преобразуется в кинетическую энергию ветровых потоков на Земле, соответствует, по оценкам, суммарной мощности свыше 10 ГВт.

История развития

Первый ветродвигатель был, вероятно, простым устройством с вертикальной осью вращения, таким, например, как устройство, применявшееся в Персии за 200 лет до нашей эры для размола зерна. Использование такой мельницы с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря. Б XI в.ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и попали в Европу 10 в. при возвращении крестоносцев. В средние века в Европе многие поместные права, включая и право отказа в разрешении на строительство ветряных мельниц, вынуждали арендаторов иметь площади для посева зерна около мельниц феодальных поместий. Посадки деревьев вблизи ветряных мельниц запрещались для обеспечения "свободного ветра". В XIV". голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этого времени для осушения болот и озер в дельте р. Рейн. Между 1608 и 1612 гг. польдер Беемстер, находившийся на три метра ниже уровня моря, был осушен с помощью 26 ветродвигателей мощностью 37 кВт каждый.

Позже известный инженер - гидравлик Лигвотер, применив 14 ветродвигателей производительностью 1000 м/мин, перекачивавших воду в аккумулирующий бассейн, осушил за четыре года польдер Шермер. Затем 37 ветродвигателей перекачивали воду из бассейна в кольцевой канал, откуда она попадала в Северное море.

В 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, использующая энергию ветра, через 4 года - первая бумажная фабрика, которая удовлетворяла повышенные требования к бумаге, обусловленные изобретением печатной машины. В концеXVI в. Появились лесопильные заводы для производства лесоматериалов, импортируемых из прибалтийских стран. В серединеXIX в. в Голландии использовалось для различных целей около 9 тыс. ветродвигателей. Голландцы внесли много усовершенствований в конструкцию ветряных мельниц и, в частности, ветроколеса.

Позже для улучшения аэродинамической формы лопасти бруски были присоединены к ее задней кромке. В более современных конструкциях паруса были заменены тонким листовым металлом, использовались стальные махи и различные типы жалюзи и щитков для регулирования частоты вращения ветроколеса при больших скоростей ветра. Крупные ветряные мельницы заводского изготовления при больших скоростях ветра могли развивать мощность до 66 кВт.

Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения

Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с не посредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствии этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность - отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соот ношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы уста новленной мощности.

Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей; от одномастных устройств с контргрузами до многоп-ластных (с числом лопастей до 50 и более). Для снижения изгибающих нагрузок у корня лопастям часто придают сужающуюся к переферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших - сервосистемы.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.

Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями, сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой ход. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.

Производство электрической энергии

Энергия ветра может быть использована для вращения синхронного генератора переменного тока; получаемая электрическая энергия непосредственно подается в сеть энергосистемы через повышающий трансформатор. В других случаях энергия ветра используется для выработки электрической энергии в виде постоянного тока и в нагревательных и отопительных приборах постоянного тока, например реостатных, или она аккумулируется в батареях и потом преобразовывается при использовании нагрузки, работающей на переменном токе.

В этих случаях энергию можно аккумулировать в механическую энергия) вращающегося маховика или в виде газов - водорода и кислорода, полученных при электролитическом разложении воды. Газы можно аккумулировать в сжиженном виде в резервуарах или в газообразном в резервуарах или в подземных хранилищах, оставшихся от использованных скважин природного газа.

Водород можно непосредственно использовать в качестве топлива в системах отопления и промышленных процессах, преобразовывать в электрическую энергию при использовании емкостей для хранения топлива и газотурбинных генераторов, работающих на водороде, или другими способами.

Представляется, что важное значение имеет использование энергии ветра совместно с другими источниками энергии, в частности с традиционным топливом, энергией солнечного излучения, энергией, получаемой за счет разности температур в океане, биологическим преобразованием топлива и т. п.

Так как в большинстве мест ветер дует с перерывами, то для непрерывного получения энергии от автономно работающей установки необходимо аккумулировать ее на длительные периоды -10 дней и более. Стоимость необходимого аккумулирующего устройства может быть снижена при комбинируемом использовании энергии ветра с другими источниками энергии.

Например, в большинстве мест ветер часто дует в то время, когда не светит солнце, и наоборот, поэтому комбинированные системы с гелиоустройствами для преобразования энергии ветра и солнца, например фотоэлектрическими или термическими, потребуют меньшие емкости аккумулирующих устройств, чем системы, которые используют только один из этих типов приемников энергии.

Так как скорость ветра в данный момент времени может значительно изменяться на больших площадях, то большое число размещенных на них ВЭУ, работающих на общую сеть, также могут быть использованы для уменьшения емкости аккумуляторов при данной базисной нагрузке энергосистемы.

Устройство ветродвигателей

Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих основных частей: ветроколеса, головки, хвоста и башни.

Ветроколесо преобразует энергию ветра в механическую работу; оно может иметь одну или много лопастей, устанавливаемых под некоторым углом к плоскости вращения ветроколеса. Крыло состоит из лопасти и маха, закрепляемого на валу ветроколеса, как правило, перпендикулярно оси вала.

Головка представляет собой опору, на которой монтируют вал ветроколеса и верхний передаточный механизм.

Форма головки определяется системой передаточного механизма, конструкция и число ступеней которого зависят от назначения и мощности ветродвигателя, а также числа оборотов ветроколеса и рабочей машины. Головка может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси в опорах башни.

Хвост, закрепляемый позади головки, предназначен для установки ветроколеса на ветер; он работает подобно флюгеру.

Башня служит для поднятия ветроколеса на высоту, на которой мало сказывается влияние препятствий, нарушающих прямолинейное течение воздушного потока. В зависимости от рельефа местности и диаметра ветроколеса высоту башни для выпускаемых в настоящее время ветродвигателей принимают равной 6-20 м. Ветродвигатели малой мощности монтируют на столбе, или трубе, укрепив их растяжками. Известно, что скорость ветра увеличивается с высотой, поэтому, казалось бы, правильным строить башни настолько высокими, насколько позволяют технические возможности. Однако, повышение мощности является не единственным требованием при выборе высоты башни. Необходимо учитывать также вес, стоимость, условия монтажа, ремонта и обслуживания ветродвигателя. Высота башни должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы было удобно эксплуатировать ветродвигатель, но она не должна быть ниже препятствий, нарушающих прямолинейное течение воздушного потока. Например, в степных районах с частыми бурями высота башен ветродвигателей малой мощности может быть принята не более 4-6 м, а в лесных - не менее 15м.

ветроэнергетический ресурс ветроэнергетика энергия ветер

Типы ветроэлектрических станций

Получение электроэнергии от ветросиловых установок является чрезвычайно заманчивой, но вместе с тем технически сложной задачей. Основным затруднением является непостоянство энергии ветра. Кроме того, электрический ток для практического применения должен обладать постоянным напряжением; при изменении напряжения и частоты тока, вследствие некоторого колебания числа оборотов ветродвигателя, требуются специальные механизмы, регулирующие число оборотов генератора.

Ветросиловые установки, предназначенные для получения электрической энергии, называются ветроэлектрическими установками. По назначению их разделяют на ветроэлектрические станции и специальные ветроэлектрические установки. К последним относятся так называемые ветроэлектрокотлы, установки для получения водорода и др., которые в данной книге не рассматриваются.

Ветроэлектрические станции (ВЭС) разделяют на станции постоянного тока и станции переменного тока.

Ветроэлектрические станции постоянного тока представляют собой в большинстве случаев ветроэлектрические агрегаты мощностью от 100 вт до 1-3 квт, используемые для зарядки аккумуляторных батарей и питания осветительной сети (освещение изолированных помещений, животноводческих ферм, полевых станов, тракторных бригад, питание радиоузлов и др.), расположенной в непосредственной близости от ветроэлектрического агрегата. Более мощные ВЭС постоянного тока встречаются значительно реже. Это объясняется рядом причин: невозможностью трансформации напряжения для передачи электроэнергии на большие расстояния; экономической нецелесообразностью применять в настоящее время электрохимические батареи на ветроэлектрических установках мощностью выше 3-5 квт; невозможностью практически осуществить параллельную работу с неветровыми электростанциями и системами, вырабатывающими, как правило, трехфазный ток, и др.

Ветроэлектрические станции переменного тока не имеют перечисленных выше недостатков и, кроме того, позволяют использовать обычные асинхронные двигатели, отличающиеся, как известно, простотой и дешевизной.

ВЭС переменного тока строят общей мощностью 10 квт и выше; они работают по трем основным схемам:изолированная работа ВЭС с тепловым резервным двигателем для работы в периоды безветрия и в слабоветреные дни;

совместная работа ВЭС с неветровой станцией;

параллельная работа ЮС с энергосистемой.

Эффективность работы ВЭС выражается экономией горючего на тепловой станции и экономией воды на гидростанции. Последнее очень важно в летний и зимний периоды, когда естественный приток воды значительно сокращается.

При работе ВЭС с резервным двигателем для бесперебойного обеспечения потребителя электроэнергией можно использовать неветровой двигатель, мощность которого составляет до 50 % мощности ветродвигателя. Потребители, работа которых допускает перерывы в энергоснабжении (помол, водоснабжение, подготовка сухих кормов, нагрев воды и т. п.), получают питание только от ВЭС при наличии ветра.

По мощности ветроэлектрические станции можно разделить на три группы:

маломощные ЮС мощностью 0,1-1,0 квт, к ним относятся главным образом ветроэлектрические агрегаты постоянного тока, используемые для зарядки аккумуляторных батарей;

ветроэлектрические станции средней мощности (10 -100квт); эти станции, как правило, дают переменный ток; их предназначают главным образом для совместной работы с тепловым двигателем или для параллельной работы с неветровой станцией примерно равной мощности; в настоящее время количество ВЭС средней мощности увеличивается, хотя они и не получили еще широкого распространения;

крупные ветроэлектростанции мощностью 100 квт и выше; такие ВЭС у нас и за границей были построены только для экспериментальной проверки принципа параллельной работы ВЭС с энергосистемой.

Изолированные ветроэлектростанции с тепловыми двигателями в качестве резерва и ВЭС, работающие параллельно с тепло- и гидроэлектростанциями, должны занять видное место в энергоснабжении нашего сельского хозяйства в тех районах, где V > 5 м/сек.

Размещено на Allbest.ru